Vibración torsional - Torsional vibration

La vibración torsional es la vibración angular de un objeto, comúnmente un eje a lo largo de su eje de rotación. La vibración torsional es a menudo una preocupación en los sistemas de transmisión de potencia que utilizan ejes giratorios o acoplamientos donde puede causar fallas si no se controla. Un segundo efecto de las vibraciones torsionales se aplica a los turismos. Las vibraciones de torsión pueden provocar vibraciones en el asiento o ruido a determinadas velocidades. Ambos reducen la comodidad.

En los sistemas ideales de generación o transmisión de energía que utilizan partes giratorias, no solo los pares aplicados o reaccionados son "suaves", lo que lleva a velocidades constantes, sino también el plano de rotación donde se genera (o ingresa) la energía y el plano en el que se extrae. (salida) son los mismos. En realidad, este no es el caso. Los pares generados pueden no ser suaves (por ejemplo, motores de combustión interna ) o el componente que se impulsa puede no reaccionar al par suavemente (por ejemplo, compresores alternativos ), y el plano de generación de energía normalmente se encuentra a cierta distancia del plano de toma de fuerza. Además, los componentes que transmiten el par pueden generar pares alternos o no suaves (por ejemplo, correas de transmisión elásticas, engranajes desgastados, ejes desalineados). Debido a que ningún material puede ser infinitamente rígido, estos pares alternos aplicados a cierta distancia en un eje causan vibraciones de torsión alrededor del eje de rotación.

Fuentes de vibración torsional

La fuente de energía puede introducir vibraciones de torsión en un tren de transmisión. Pero incluso un tren de transmisión con una entrada de rotación muy suave puede desarrollar vibraciones de torsión a través de componentes internos. Las fuentes comunes son:

  • Motor de combustión interna : Las vibraciones de torsión de la combustión no continua y la propia geometría del cigüeñal provocan vibraciones de torsión.
  • Compresor alternativo : Los pistones experimentan fuerzas discontinuas de la compresión.
  • Junta universal : La geometría de esta junta provoca vibraciones de torsión si los ejes no son paralelos.
  • Stick slip : Durante el acoplamiento de un elemento de fricción, las situaciones de stick slip crean vibraciones torsionales.
  • Juego : El juego del tren de transmisión puede causar vibraciones de torsión si se cambia la dirección de rotación o si se invierte el flujo de potencia, es decir, conductor vs. conducido.

Vibración torsional del cigüeñal

La vibración torsional es una preocupación en los cigüeñales de los motores de combustión interna porque podría romper el cigüeñal mismo; corte del volante; o hacer que fallen las correas, los engranajes y los componentes conectados, especialmente cuando la frecuencia de la vibración coincide con la frecuencia de resonancia de torsión del cigüeñal. Las causas de la vibración torsional se atribuyen a varios factores.

  • Los pares alternos son generados por el mecanismo de manivela deslizante del cigüeñal, la biela y el pistón.
    • La presión del cilindro debido a la combustión no es constante durante el ciclo de combustión.
    • El mecanismo de manivela deslizante no genera un par suave incluso si la presión es constante (por ejemplo, en el punto muerto superior no se genera par)
    • El movimiento de la masa del pistón y la masa de la biela genera pares alternos a menudo denominados pares de "inercia".
  • Los motores con seis o más cilindros en una configuración en línea recta pueden tener cigüeñales muy flexibles debido a su gran longitud.
  • Los motores de 2 tiempos generalmente tienen una superposición de cojinetes más pequeña entre los cojinetes principal y de pasador debido a la mayor longitud de carrera, lo que aumenta la flexibilidad del cigüeñal debido a la disminución de la rigidez.
  • Existe inherentemente poca amortiguación en un cigüeñal para reducir la vibración, excepto por la resistencia al corte de la película de aceite en los cojinetes principal y de biela.

Si la vibración de torsión no se controla en un cigüeñal, puede causar fallas en el cigüeñal o cualquier accesorio que esté siendo impulsado por el cigüeñal (generalmente en la parte delantera del motor; la inercia del volante normalmente reduce el movimiento en la parte trasera del motor). ). Los acoplamientos convierten la energía de vibración en calor. Por tanto, y para asegurar que el acoplamiento no se dañe por ello (la temperatura puede ser muy alta, dependiendo de la carga), esto se verifica mediante el cálculo de vibraciones torsionales.

Esta vibración potencialmente dañina a menudo se controla mediante un amortiguador de torsión que se encuentra en la punta delantera del cigüeñal (en los automóviles, a menudo está integrado en la polea delantera). Hay dos tipos principales de amortiguadores de torsión.

  • Los amortiguadores viscosos consisten en un anillo de inercia en un fluido viscoso. La vibración torsional del cigüeñal fuerza al fluido a través de pasajes estrechos que disipan la vibración en forma de calor. El amortiguador de torsión viscoso es análogo al amortiguador hidráulico en la suspensión de un automóvil.
  • Tipo de amortiguador sintonizado de "amortiguadores" a menudo denominados amortiguadores armónicos o equilibradores armónicos (aunque técnicamente no amortiguan ni equilibran el cigüeñal). Este amortiguador utiliza un elemento de resorte (a menudo caucho en los motores de los automóviles) y un anillo de inercia que normalmente se ajusta a la primera frecuencia natural de torsión del cigüeñal. Este tipo de amortiguador reduce la vibración a velocidades específicas del motor cuando un par de excitación excita la primera frecuencia natural del cigüeñal, pero no a otras velocidades. Este tipo de amortiguador es análogo a los amortiguadores de masa sintonizados que se utilizan en los rascacielos para reducir el movimiento del edificio durante un terremoto.

Vibraciones de torsión en sistemas de accionamiento electromecánicos

Las vibraciones de torsión de los sistemas de transmisión generalmente dan como resultado una fluctuación significativa de la velocidad de rotación del rotor del motor eléctrico de transmisión. Tales oscilaciones de la velocidad angular superpuestas a la velocidad de rotación media del rotor provocan una perturbación más o menos severa del flujo electromagnético y, por tanto, oscilaciones adicionales de las corrientes eléctricas en los devanados del motor. Entonces, el par electromagnético generado también se caracteriza por componentes adicionales variables en el tiempo que inducen vibraciones de torsión del sistema de accionamiento. De acuerdo con lo anterior, las vibraciones mecánicas del sistema de accionamiento se acoplan con las vibraciones eléctricas de las corrientes en los devanados del motor. Tal acoplamiento es a menudo de carácter complicado y, por tanto, problemático desde el punto de vista computacional. Por esta razón, hasta el presente, la mayoría de los autores solían simplificar el asunto con respecto a las vibraciones mecánicas de los sistemas de accionamiento y las vibraciones de la corriente eléctrica en los devanados del motor como mutuamente desacoplados. Luego, los ingenieros mecánicos aplicaron los pares electromagnéticos generados por los motores eléctricos como funciones de excitación asumidas 'a priori' del tiempo o del deslizamiento del rotor al estator, por ejemplo, en papel, generalmente basándose en numerosas mediciones experimentales realizadas para el motor eléctrico dado. comportamientos dinámicos. Para ello, mediante los resultados de las mediciones, se han desarrollado fórmulas aproximadas adecuadas, que describen las respectivas excitaciones electromagnéticas externas producidas por el motor eléctrico. Sin embargo, los electricistas modelaron minuciosamente los flujos de corriente eléctrica en los devanados del motor eléctrico, pero por lo general redujeron el sistema de accionamiento mecánico a uno o rara vez a unos pocos cuerpos rígidos giratorios, como por ejemplo en En muchos casos, tales simplificaciones producen resultados suficientemente útiles para aplicaciones de ingeniería, pero muy a menudo pueden dar lugar a inexactitudes notables, ya que se están descuidando muchas propiedades dinámicas cualitativas de los sistemas mecánicos, por ejemplo, su distribución de masa, flexibilidad torsional y efectos de amortiguación. Por tanto, la influencia del comportamiento vibratorio del sistema de accionamiento sobre la fluctuación de la velocidad angular del rotor de la máquina eléctrica y, de esta manera, sobre las oscilaciones de la corriente eléctrica en los devanados del rotor y del estator, no puede investigarse con una precisión satisfactoria.

Las vibraciones y deformaciones mecánicas son fenómenos asociados con el funcionamiento de la mayoría de las estructuras de transmisión de vehículos ferroviarios. El conocimiento de las vibraciones torsionales en los sistemas de transmisión de los vehículos ferroviarios es de gran importancia en el campo de la dinámica de los sistemas mecánicos. Las vibraciones de torsión en el tren de transmisión de vehículos ferroviarios son generadas por varios fenómenos. Generalmente, estos fenómenos son muy complejos y se pueden dividir en dos partes principales.

  • A la primera pertenece la interacción electromecánica entre el sistema de transmisión del ferrocarril que incluye: motor eléctrico, engranajes, la parte impulsada del embrague de disco y las partes impulsoras del embrague de engranajes.
  • A la segunda pertenecen las vibraciones de torsión de las ruedas flexibles y los juegos de ruedas provocados por la variación de las fuerzas de adherencia en la zona de contacto rueda-carril.

Una interacción de las fuerzas de adhesión tiene características no lineales que están relacionadas con el valor de fluencia y depende en gran medida de la condición de la zona rueda-carril y la geometría de la vía (cuando se conduce en una sección curva de la vía). En muchos sistemas mecánicos modernos, la deformabilidad estructural por torsión juega un papel importante. A menudo se utiliza el estudio de la dinámica de los vehículos ferroviarios utilizando los métodos multicuerpo rígido sin elementos deformables por torsión. Este enfoque no permite analizar las vibraciones autoexcitadas que tienen una influencia importante en la interacción longitudinal rueda-carril. Un modelado dinámico de los sistemas de propulsión eléctrica junto con los elementos de una máquina o vehículo impulsado es particularmente importante cuando el propósito de dicho modelado es obtener información sobre los fenómenos transitorios del funcionamiento del sistema, como una aceleración, una desaceleración y una pérdida. de adherencia en la zona rueda-carril. El modelado de una interacción electromecánica entre el motor de accionamiento eléctrico y la máquina, así como la influencia de las vibraciones torsionales autoexcitadas en el sistema de accionamiento.

Medición de la vibración torsional en sistemas físicos

La forma más común de medir la vibración torsional es el método de utilizar pulsos equidistantes en una revolución del eje. Los codificadores de eje dedicados, así como los transductores de captación de dientes de engranajes (inducción, efecto Hall, reluctancia variable, etc.) pueden generar estos pulsos. El tren de pulsos del codificador resultante se convierte en una lectura de rpm digital o en un voltaje proporcional a las rpm.

El uso de un láser de doble haz es otra técnica que se utiliza para medir las vibraciones torsionales. El funcionamiento del láser de doble haz se basa en la diferencia en la frecuencia de reflexión de dos haces perfectamente alineados que apuntan a diferentes puntos de un eje. A pesar de sus ventajas específicas, este método produce un rango de frecuencia limitado, requiere una línea de visión desde la pieza hasta el láser y representa múltiples láseres en caso de que sea necesario medir varios puntos de medición en paralelo.

Software de vibración torsional

Hay muchos paquetes de software que son capaces de resolver el sistema de ecuaciones de vibración torsional. Los códigos específicos de vibración torsional son más versátiles para fines de diseño y validación del sistema y pueden producir datos de simulación que se pueden comparar fácilmente con los estándares publicados de la industria. Estos códigos facilitan la adición de ramas del sistema, datos de masa elástica, cargas de estado estable, perturbaciones transitorias y muchos otros elementos que solo un rotordinámico necesitaría. Códigos específicos de vibración torsional:

  • AxSTREAM RotorDynamics, ( SoftInWay ): programa comercial basado en FEA para realizar el alcance completo de los análisis de torsión en la gama completa de equipos rotativos. Se puede utilizar para realizar análisis de máquinas de estado estable y transitorio, modal, armónico y recíproco, y genera gráficos de estabilidad y diagramas de Campbell rápidamente.
  • ARMD TORSION ( Rotor Bearing Technology & Software, Inc. ): software comercial basado en FEA para realizar frecuencias naturales de torsión amortiguadas y no amortiguadas, formas de modo, respuesta de estado estable y transitoria en el tiempo de trenes de transmisión mecánicos con entradas de varios tipos de excitación externa , par de arranque del motor síncrono, pares del compresor y perturbaciones del sistema eléctrico.

Los gráficos de enlace se pueden utilizar para analizar las vibraciones de torsión en los grupos electrógenos, como los que se utilizan a bordo de los barcos.

Ver también

Bibliografía

  • Nestorides, EJ, BICERA: A Handbook on Torsional Vibration , University Press, 1958, ISBN  0-521-04326-3
  • Parikyan, T. (2011). "Simulación de vibraciones torsionales multiciclo con AVL EXCITE Designer". Papel ASME ICEF2011-60091. doi : 10.1115 / ICEF2011-60091 . Cite journal requiere |journal=( ayuda )

Referencias

enlaces externos